東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 李永明 繆筱玲 段永一

大型電站鍋爐受熱面泄漏成為火電廠運(yùn)行事故的主要因素，長期威脅著發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定，同時也給發(fā)電企業(yè)帶來較大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。鍋爐受熱面長期在火焰、煙氣、飛灰等惡劣的環(huán)境介質(zhì)中運(yùn)行，造成爆管泄漏的因素較多，因此找出每次爆管真正的誘發(fā)因素，可以避免同類事故再次發(fā)生[3]。

華東地區(qū)某電廠2×660MW超超臨界機(jī)組，鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓直流爐、一次再熱、前后墻對沖燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，再熱出口汽溫603℃，壓力5.13MPa。截至機(jī)組運(yùn)行65000h，2#鍋爐高溫再熱器出現(xiàn)爆管泄漏。為查明爆管原因，對樣管25-3（左起第25排從前往后數(shù)第3根，縮寫為25-3，以下雷同），26-1，26-2，29-7，進(jìn)行取樣分析，圖1為樣管外觀形貌和其對應(yīng)編號。其中，樣管25-3管子規(guī)格為Φ50.8×3.5，材質(zhì)為SA-213TP310HCbN，其余3根樣管規(guī)格為Φ50.8×3.5，材質(zhì)皆為SA-213TP347HFG。

圖1 樣管外觀形貌和其對應(yīng)編號

1 宏觀檢查分析

樣管25-3爆口宏觀形貌如圖2所示，存在一處泄漏口，從形貌看屬于吹損減薄所致，爆口附近未見可見蠕變裂紋，對樣管上管子和滑動塊焊縫位置進(jìn)行PT探傷，探傷結(jié)果為焊縫區(qū)可見疑似裂紋的線性顯示，縱向分布，如圖3所示。

圖2 樣管25-3爆口宏觀形

圖3 滑動塊焊縫位置裂紋顯示

樣管26-1爆口宏觀形貌如圖4所示，存在3處泄漏位置，1#和2#兩處泄漏口有明顯吹損痕跡；3#泄漏口為整個橫截面撕裂，從宏觀上觀察未見吹損痕跡，初步判斷為首爆位置。

圖4 26-1爆口宏觀形貌

樣管29-7爆口宏觀形貌如圖5所示，存在一處泄漏位置，從形貌看屬于吹損減薄所致。

圖5 29-7 爆口宏觀形貌

圖6 26-2爆口宏觀形貌

樣管26-2爆口宏觀形貌如圖6所示，泄漏口張口大，管壁從外壁開始減薄，實測壁厚最小為1.2mm，從形貌觀察可見，該泄漏口也為介質(zhì)從外壁吹損減薄所致。

對4根樣管在端部取樣進(jìn)行外徑和壁厚測量，按圖7中檢測示意圖藍(lán)色雙箭頭位置進(jìn)行測量，每90°測量一個外徑值及壁厚值，結(jié)果見表1。測量結(jié)果表明，4根樣管的幾何尺寸滿足ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 樣管尺寸檢測結(jié)果

2 理化試驗

2.1 理化取樣位置說明

樣管取樣位置和具體檢驗項目見表2。

表2 樣管取樣位置和具體檢驗項目

2.2 化學(xué)成分分析

對4根樣管取樣，采用直讀光譜儀Spectrolab M 9對樣管進(jìn)行金屬化學(xué)成分分析，試驗依據(jù)《ASTM A751鋼制品的化學(xué)分析方法、操作及術(shù)語》進(jìn)行。試驗結(jié)果見表3、表4，通過金屬化學(xué)成分分析，管子的化學(xué)成分均滿足ASME SA-213 標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，排除材質(zhì)錯用導(dǎo)致的爆管。

2.3 力學(xué)性能試驗

對樣管25-3和26-2進(jìn)行室溫和600℃拉伸試驗，對4根樣管進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表5、表6，檢測結(jié)果表明，管子的力學(xué)性能在運(yùn)行65000h后依然滿足ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)要求，而且高溫屈服強(qiáng)度參照GB/T5310評判，均滿足要求。排除長期超溫降低管子可靠性的可能。

表3 SA-213TP310HCbN化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，%

表4 SA-213TP347HFG化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，%

表5 力學(xué)性能

表6 硬度檢測

2.4 SEM分析

對樣管25-3的PT探傷疑似裂紋的顯示區(qū)域打開進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，圖8為打開后裂紋斷口形貌特征。從斷口紋理可判斷裂紋是從滑動塊焊縫內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)展，滑動塊外側(cè)為最終瞬斷區(qū)；由于擴(kuò)展區(qū)表面氧化嚴(yán)重，無法判斷裂紋擴(kuò)展方式。對26-1取B斷口進(jìn)行斷口分析，圖9為斷口B宏觀形貌及形貌特征，斷口B顯示滑動塊與管子的焊根部位裂紋明顯，裂紋從焊根部位一直延伸到管子內(nèi)壁，在斷口表面氧化嚴(yán)重，經(jīng)清洗后局部氧化皮脫落，可見近內(nèi)壁斷面擴(kuò)展區(qū)存在典型疲勞條紋特征，表明裂紋擴(kuò)展過程經(jīng)歷交變應(yīng)力。

圖8 樣管25-3斷口A形貌及特征

2.5 綜合分析

宏觀監(jiān)測和力學(xué)性能試驗顯示4根樣管尺寸和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無明顯管徑脹粗和壁厚減薄情況，因此可以判斷泄漏非超溫引起。宏觀特征顯示4根樣管存在多處漏點，除了26-1樣管的3#泄漏口，所有的泄漏口位置均有明顯的吹損痕跡（即減?。赡転楸粍哟祿p造成。結(jié)合26-1樣管3#裂紋斷口分析可知，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在典型疲勞輝紋特征，說明裂紋擴(kuò)展過程經(jīng)歷了高頻交變應(yīng)力的作用，且裂紋從焊根部位一直延伸到管子內(nèi)壁。結(jié)合實際運(yùn)行分析，高溫再熱器管子在運(yùn)行過程中由于內(nèi)外圈管子壁溫或材質(zhì)不同引起管子之間存在一定的膨脹差，管子間的溫差過大，使管屏容易產(chǎn)生變形，管子與滑動塊之間是焊接固定，會限制管子之間的自由膨脹，當(dāng)管子不能自由膨脹時，管子和滑動塊的根部將產(chǎn)生較大的應(yīng)力。因此，在機(jī)組長期運(yùn)行過程中，管子與滑動塊將受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交替作用，且管子和滑動塊存在應(yīng)力集中點，連接焊縫極易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致管子泄漏。

圖9 樣管25-3斷口B形貌及特征

綜上所述，樣管的宏觀形貌檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測及掃描電鏡分析結(jié)果來看，樣管的化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)中310HCbN和TP347HFG的鋼號要求。樣管26-1的3#泄漏口為原始漏口，高頻交變應(yīng)力導(dǎo)致的高再滑動塊焊縫根部開裂是導(dǎo)致本次爆管泄漏的直接原因。除了樣管26-1的3#泄漏口，所有的泄漏口位置均有明顯的吹損痕跡（即減薄），為被動吹損造成。

建議電廠對其他滑動塊和鋼管焊接區(qū)域進(jìn)行表面無損檢測以排除隱患，可對高溫再熱器與滑動塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化處理，改善該部位的受力狀況，避免類似情況再次發(fā)生。